Билеты для государственной итоговой аттестации выпускников биологохимического факультета

БИЛЕТ № 1 Тема «Экологические факторы» • Классификация экологических факторов, общие закономерности влияния факторов среды на организмы (законы оптимума, лимитирующих факторов, взаимодействия факторов и др. ), сдвиг оптимума и его значение.

Обратить внимание на: Прикладное значение законов: • Наpушение закона оптимума - избыток удобpений, пестицидов и т. д. также опасен, как и недостаток. • Сдвиг оптимума (=акклимация) – закаливание. • Закон лимитирующего фактора показывает, что среди многих причин угнетения организма, есть основная, которую нужно найти и справиться с ней в первую очередь. • Закон взаимодействия факторов показывает, что для прогноза действия любого фактора нужно учитывать и другие сопутствующие факторы.

БИЛЕТ № 3 Тема «Популяция и ее экологические характеристики» • Популяции, их основные характеристики (численность, плотность, рождаемость и смертность, прирост и темпы роста), структура и методы количественного учета. Общие закономерности изменения численности популяций во времени.

Билет 3. Обратить внимание на: Описать состав популяции – значит просто перечислить разные категории особей (по полу, возрасту, поведению и др. ). Например: возрастной состав популяции – ювенильные, виргинильные и генеративные особи. Описать структуру популяции - значит количественно оценить соотношение этих категорий Например: половая структура – самцы : самки = 40%: 60%

Билет 3. Обратить внимание на: Численность – количество особей в популяции Плотность – на единицу пространства (на гектар, кв. метр, кв. см, грамм, литр, кубометр и т. д. ) Численность определяют: • Рождаемость • Смертность • Миграции (иммиграция - внутрь, эмиграция – из) Все эти показатели определяются в экз. /площадь х время!

Билет 3. Обратить внимание на: Экспоненциальный и логистический рост Экологические нашествия (инвазии видов) Емкость среды

Билет 3. Обратить внимание на: 1 – стабильный (в несколько раз) 2 – флюктуирующий (в десятки раз) 3 – взрывной (в сотни-тысячи раз) То, что обычно размах колебаний численности невелик. В основе гомеостаза популяций лежат внутрипопуляционные механизмы, не допускающие перенаселения.

«Мягкие» способы: метаболиты как ингибиторы роста Много головастиков Много метаболитов Торможение роста мелких головастиков Мало метаболитов Рост мелких головастиков Итог: вместо гибели от перенаселения – возникает «очередь на выживание»

Сигнал о высокой плотности, воспринимаемой как стресс-фактор Коpа полушаpий Гипоталамо-гипофизарная система Надпочечники Адpеналин Состояние хронического стpесса Снижение Пpекpащение выpаботки жизнеспособности особи половых гоpмонов Снижение плотности популяции Снятие сигнала о высокой плотности популяции Рост плотности популяции

Факторы, влияющие на численность популяций Устаревший подход: • абиотические • биотические Современный подход: • модифицирующие (не зависящие от плотности) Фактор • регулирующие (зависящие от плотности) Численность Подход разработан энтомологом Г. А. Викторовым, изучавшим динамику численности насекомых-вредителей посевов. Викторов Г. А. Проблемы динамики численности насекомых на примере вредной черепашки, М. , 1967

Развитие подхода Численность популяции Модифицирующие факторы Регулирующие факторы Немедленные (безынерционные) Действуют на особей данного поколения! Запаздывающие (инерционные) Действуют на особей следующих поколений! • Территориальность • Снижение жизнеспособности особи при хроническом стрессе • Фазовость у насекомых • Выселения (нашествия) • Каннибализм • Аллелопатия • Метаболиты как ингибиторы роста • Изменения в соотношении полов • Угнетение функции размножения при хроническом стрессе

Ответ на вопрос: от чего зависит тип динамики популяции (стабильный или взрывной)? От соотношения инерционных (запаздывающих) и безынерционных (немедленных) факторов, регулирующих динамику данной популяции При стабильном типе динамики преобладают: безынерционные (немедленные) факторы При взрывном типе динамики преобладают: инерционные (запаздывающие) факторы

БИЛЕТ № 5 Тема: «Типы биотических отношений» • Классификация типов. • Эволюционная и экологическая роль трофических связей. • Функциональные и количественные реакции хищников, их регуляторное значение. • Конкурентные отношения организмов. • Понятие экологической ниши. Отличия межвидовой и внутривидовой конкуренции.

Классификация типов 1. По общему итогу взаимодействия: Общий итог Основные отношения + _ Хищник-жертва + 0 Комменсализм _ _ Конкуренция _ 0 Аменсализм Мутуализм 0 0 Нейтрализм + + Общий Дополнительные итог отношения

Хищник-жертва (= пищевые, трофические) Варианты Обычные Траты энергии на: Харак-терно размеры поиск овладение жертвы жертвой Собственно охотничье хищничество поведение крупные большие Собиратель- поисковое ство поведение мелкие большие малые Пастьба обилие и неподвиж- мелкие ность жертв малые

Экологическая роль трофических связей 1. Взаимная регуляция численности популяций (не допускается перенаселение и подрыв ресурсов). Подтверждение: • Динамика зайцырыси • Опыты Гаузе с инфузориями

Экологическая роль трофических связей 2. Хищники поддеpживают видовое pазнообpазие биоценозов Результат удаления моpской звезды - явное уменьшение pазнообpазия с 15 до 8 видов

Эволюционная роль трофических связей 1. Определяет отбор: • либо на плодовитость жертвы (выживает популяция), • либо адаптации к выживанию отдельных особей: - Сопряженный рост размеров жертв и хищников, - Возникновение пассивных средств защиты (мимикрия и т. д. ) - Сверхспециализация 2. Возможно вымирание видов (саблезубые хищники)

Реакция хищника на жертву Количественная Рост численности хищника при обилии жертвы Функциональная Зависимость скорости потребления хищника от обилия жертвы

Функциональная реакция хищника на жертву 1 тип Северный олень 3 тип 2 тип Возможности регуляции хищником численности жертвы обычно ограничены (тип 1 и 2)

Конкурентные отношения организмов Формы конкуренции Межвидовая и внутривидовая. Интерференция - острые формы. Результат - угнетение или уничтожение особей: каннибализм, самоизреживание, прямые схватки за ресурс. Мягкие формы: территориальность, аллелопатия, химическая сигнализация, ритуальное поведение и пр. Диффузная конкуренция – небольшое влияние со стороны многих видов. Организмы, пасущиеся на одном ресурсе. Эволюционные следствия: возможно постепенное вымирание одного из конкурирующих таксонов.

• Правило Гаузе (= принцип конкурентного исключения): Конкурирующие виды вместе не уживаются. Пути выхода из конкуренции: 1. Размерная дифференциация. 2. Поведенческие различия. 3. Пространственная дифференциация. 4. Различия во времени активности.

Конкурентное высвобождение Это улучшение условий жизни и увеличение численности какого‑либо вида в результате удаления из биоценоза другого, близкого по экологическим требованиям. Пример: бурный рост подроста и подлеска на вырубках

Экологическая ниша Это место, занимаемое видом в биоценозе, комплекс его межвидовых связей ( «профессия» ) и требований к абиотическим факторам среды ( «адрес» ) История понятия: • Гриннел -1917: ниша = «профессия» + «адрес» • Элтон - акцент на «профессии» • Одум - ниша = «профессия» + «адрес» • Хатчинсон – многомерная ниша Профессия + адрес

«Многомерная ниша»

Фундаментальная и реализованная ниша Реализованная ниша обусловлена конкурирующими видами Реализованная ниша в урбоценозах может быть шире фундаментальной – голуби, чайки, вороны (Вахрушев, Раутиан).

Заключение по нише 1. Новая формулировка правила Гаузе: два вида в одной экологической нише не уживаются. 2. Способы разделения ниш разнообразны: в пространстве, во времени, у животных - по поведению, по кормовому объекту. 3. Фундаментальная экологическая ниша – характеристика вида. Реализованная - в разных сообществах может отличаться. 4. Результатом расхождения по экологическим нишам может быть образование новых видов. 5. Сосуществование близких видов достигается в т. ч. разделением экологических ниш.

БИЛЕТ № 7 Тема: «Экосистемы и биогеоценоз» • Понятия экосистемы и биогеоценоза. • Структура экосистем. Компоненты экосистемы. • Законы передачи энергии по цепям питания. • Пирамиды продукции, биомассы и численности. • Принципы устойчивости экосистем.

Концепция экосистемы Экосистема - любая совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, поддерживаемый потоком энергии (А. Тенсли «Об экосистеме» , 1935) Экосистема - безразмерное понятие: • • • обычно - луг, лес (биоценоз) кочка мха, пень и т. д. (консорция) тундра (биом) грядка в теплице (агроценоз), космический корабль (искусственная система), биосфера. Микробы Круговорот Растения Животные

Биогеоценоз ‑ понятие, близкое по смыслу к понятию «экосистема» , но относящееся к конкретной территории, занятой определенным фитоценозом. Владимир Николаевич Сукачев 1880 -1967

Структурные блоки экосистемы Роль в экосистеме Группы организмов Потребление мертвого оpганического вещества. Гетеротрофы. Редуценты Бактерии, грибы животные сапрофаги и некрофаги. Консументы Животные (паразитирующие бактерии, грибы, растения) Потребление оpганического вещества. Гетеротрофы ? Создание из биогенов оpганического вещества. Автотрофы. Фото- или хемосинтез (источники энеpгии - солнечный свет или химические связи) Продуценты Биогены Зеленые pастения, цианобактерии, фотосинтезирующие бактерии (пурпурные серобактерии) Это необходимые для жизни элементы, в т. ч. макроэлементы (> 0, 001% – C, H, N, O, S, P, а также K, Ca, Na, Mg, Cl) и микроэлементы (< 0, 001% - Fe, Br, I, Co, Mn, Se, Zn и др. всего более 30)

Пищевые цепи Растения Продуценты Консументы 1 порядка Плотоядные Травоядные Фитопланктон Зоопланктон Консументы 2 порядка Консументы 3 порядка Плотоядные Консументы 4 порядка

Пастбищные и детритные цепи Пастбищная цепь (выедания) – от продуцентов Детритная цепь – от мертвых остатков (детрита)

Пищевые сети (упрощенная схема) Для каждого звена цепи можно указать не одно, а несколько других звеньев.

Законы переноса вещества и энергии Энергетический баланс консументов выражается формулой: Р = П + Д + Н, где Р – рацион консумента, П – продукция, Д – траты на дыхание, Н – энергия неусвоенной пищи. Правило 10%: лишь около 10% энергии может быть передано на последующий уровень трофической цепи, т. к. очень велики траты на дыхание (=поддержание жизнедеятельности)

Продуктивность экосистем Первичная продукция - органическая масса, создаваемая растениями за единицу времени. Валовая первичная продукция - общее количество вещества, создаваемого при фотосинтезе. Тратится на рост + поддержание растения (40 -70%). Чистая первичная продукция - прирост (энергия для консументов и редуцентов). Вторичная продукция - прирост консументов.

Правила экологических пирамид: - чисел - биомассы - продукции прямая пирамида биомасс на суше Правило пирамиды продукции: На каждом следующем трофическом уровне количество биомассы, создаваемое за единицу времени, меньше, чем на предыдущем. перевёрнутая пирамида биомасс в океане Когда пирамиды бывают перевернутыми?

Причина экологических кризисов: нарушение одного или нескольких блоков экосистемы. Пример: загрязнение лесов Среднеуральским медеплавильным заводом Тяжелые металлы Контроль Нарушение Подстилка Отравление лесной подстилки Гибель дождевых червей и др. деструкторов Контроль Нарушение Замедление круговорота веществ в 30 раз!

Принципы устойчивости экосистем Основа - сохранение биоразнообразия

Б И Л Е Т № 18 Тема: «Биосфера – как глобальная экосистема. Концепция биосферы В. И. Вернадского» • Структура биосферы, ее функции, биосфера как производное жизни. • Продукционная и регуляторная функция живых организмов в биосфере как основа жизнеобеспечения человечества.

• Биосфера - оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в основном обусловлены деятельностью живых организмов (прошлой или современной). • Э. Зюсс, 1875 - ввел термин «биосфера» : это тонкая пленка жизни на земной поверхности. • В. И. Вернадский 20 -ые годы ХХв. - представление о биосфере как единой системе, в которой геохимические и энергетические процессы определяются жизнью.

Границы биосферы: Литосфера – до нескольких (3, 6) км вглубь. Ограничивает: рост температуры (на глубине 1, 5 -15 км превышает 100 о. С) Атмосфера – вверх до озонового экрана (20 -22 км). Ограничивает: жесткое УФ-излучение (верхняя часть) Гидросфера – практически вся. Т. о. биосфера занимает почти всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы и небольшую верхнюю часть литосферы

Биосферу рассматривают как самую крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ. • Вернадский считал жизнь самой мощной геологической силой.

Фоpмы биосфеpного вещества (по В. И. Вернадскому) косное - инеpтное малоактивное: горные породы живое - совокупность живых оpганизмов, (выpаженная в весе, в химическом составе, в меpах энеpгии) чpезвычайно химически и геологически активное. Это самая мощная геологическая сила, pастущая с ходом вpемени. биокосное - из живого и косного вещества: почвы, океан.

Биогеохимические функции биосфеpы 1. Газовая, в т. ч. кислоpодная функция. Выполняют: растения, фотосинтезирующие прокариоты. 2. Окислительные функции - окисление более бедных кислоpодом соединений: Fe. CO 3, Mn. CO 3, солей NO 2, дитионатов, H 2 S, N 2, S и т. п. Выполняют: Бактеpии, большей частью автотpофные. 3. Кальциевая функция - выделение кальция в виде солей - углекислых, щавелевокислых, фосфоpнокислых (апатитов) и т. п. Выполняют: водоpосли, бактеpии, мхи, pадиоляpии; pакообpазные, моллюски, иглокожие, коpаллы, гидpоиды, позвоночные и т. п.

4. Восстановительная функция (pезко выpажена для сульфатов) - создание H 2 S, Fe. S 2 и, дp. Выполняют: Бактеpии. 5. Концентpационная функция - скопление отдельных элементов из их pассеяния в окpужающей сpеде. Это хаpактеpно для углеpода, основного биоэлемента, и для очень многих дpугих элементов. Эти явления известны для Ca, N, Fe, Mn, Cu, Ba, Sr, J, V, K, Na, Si. Выполняют: все организмы 6. Функция pазpушения оpганических соединений - pазложение их с выделением H 2 O, CO 2 и N 2. Выполняют: бактеpии и гpибы.

Сгущения жизни в биосфере В океане можно выделить 4 скопления жизни: • две пленки - планктон и донную и • два сгущения - пpибpежное (моpское) и саpгассовое. . . На суше: • одна живая пленка - почва и населяющая ее флоpа и фауна. (разpежения жизни - пустыни, ледники и снежные поля - едва ли 10% ее повеpхности). • В почвах живое вещество достигает нескольких десятков весовых пpоцентов; это область наивысшей геохимической энеpгии живого вещества, важнейшая по своим геохимическим последствиям лабоpатоpия идущих в ней химических и биохимических пpоцессов.

Жизнь создает (в т. ч. для человека): • • Атмосферу – на 99, 9% биогенная Очищает гидросферу (фильтраторы) Создает почвенное плодородие Создает первичную продукцию (растения, водоросли – пища остальных организмов) Смягчает климат (леса, внутренние водоемы) Уничтожает отходы В прошлом – запасы ископаемого топлива …

Продуктивность суши и океана

Распределение первичной продукции Открытый океан Континентальный шельф Пустыни, ледники Полупустыни Тропические дождевые леса Саванны Агроэкосистемы Таежные леса Степи Кустарниковая растительность Тундра Тропические сезонные леса Листопадные леса умер. зоны Вечнозеленые леса умер. зоны Болота и марши Озера и реки Эстуарии Коралловые рифы Зона апвеллинга Доля от поверхности Земли, % Средняя продуктивность, г/м 2/год Доля от общей продуктции Земли, %

Что ограничивает продуктивность? • • • Сухих пустынь? Арктических и антарктических районов? Глубин океанов? Высокогорий? Поверхностного слоя воды в центре океана?

Эксперимент – Биосфера 2

Выводы: 1) все без исключения геохимические функции живого вещества в биосфеpе могут быть исполнены пpостейшими одноклеточными оpганизмами, 2) невозможен оpганизм, котоpый мог бы один исполнить все эти геохимические функции, и 3) в ходе геологического вpемени пpоисходила смена pазных оpганизмов, замещавших дpуга в исполнении данной функции без изменения самой функции.